CN114172134B - 一种基于故障前波形过零点的差动保护自同步方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于故障前波形过零点的差动保护自同步方法及系统，方法包括以下步骤：步骤1，判断保护启动，进入步骤2；步骤2，确定故障电流峰值点；步骤3，确定故障前波形过零点两端的采样点；步骤4，进一步计算过零点；步骤5，被保护线路两端自同步；该方法从故障电流峰值点向前搜索故障前电压波形的过零点，两端以该过零点作为同步对时点，从而实现两端采样的自同步。本发明适用于配网线路纵差保护，也适用于其他不具备精确对时或对时中断等情况下的差动保护。

Description

一种基于故障前波形过零点的差动保护自同步方法及系统
技术领域
本发明涉及电力系统继电保护技术领域，更具体地，涉及一种基于故障前波形过零点的差动保护自同步方法及系统。
背景技术
随着分布式发电(Distributed Generator,DG)技术的发展，配电网接入的分布式发电增多，使得配电网潮流从单向变为双向，给传统配电保护带来的影响主要有：末端故障电流助增保护灵敏度降低、相邻线保护配合困难等问题。解决双向潮流流动的保护问题是配网急需解决的问题。
线路纵联光纤差动保护(以下简称光差保护)是解决双向潮流流动的理想选择。在高压输电网中，系统潮流本来就是双向流动的，因而差动保护被广泛应用。但是，光差保护需要两端同步采样。目前主要是利用专用光纤通道，通过乒乓对时方法实现同步。乒乓对时方法应用的前提条件是需要收发路径一致、路径不变。而在配电网中，一般不配置专用的差动保护光纤专用通道，多采用光纤复用通道，所以，这两个前提条件都不成立，因而要在配网中使用光差保护必须要解决同步问题。
另外，即使通过某些方法可以实现两边精确对时，但当通信中断时，以及通信中断恢复后的一段时间内，两边的光纤差动保护只能退出。因此，有必要在通信中断恢复期间发生故障时，实现两端光差保护采样同步，从而使得光差保护能够起作用。
为解决上述问题，现有技术提出了基于故障时刻的自同步方法，可以在不增加额外设备的情况下实现故障数据的近似同步。该算法本质是以故障发生时刻为对时同步标准，目前多以保护装置检测到故障的时刻(保护启动时刻)代替故障发生时刻来实现对时同步，因而误差较大。另外，利用保护装置的启动时刻进行数据同步时，会存在两端故障检测延时时间差较大的情况，有可能导致保护拒动。现有技术还提出了利用Hankel矩阵，通过奇异值分解后的P3的模极大值确定奇异点位置，即故障发生时刻，能够精确确定故障时刻。但算法计算量太大，对嵌入式保护装置的CPU计算负担较重。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种基于故障前波形过零点的差动保护自同步方法及系统。从故障电流峰值点向前搜索故障前电压波形的过零点，两端以该过零点作为同步对时点，从而实现两端采样的精确自同步。本发明适用于配网线路纵差保护，也适用于其他不具备精确对时或对时中断等情况下的差动保护。
本发明采用如下的技术方案。
本发明一方面提供了一种基于故障前波形过零点的差动保护自同步方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，采用相电流差突变量启动元件判断保护启动，若满足保护启动判据则进入步骤2；
步骤2保护启动后，从故障启动时刻向前搜索一个周波，确定故障电流峰值点；
步骤3，根据步骤2得出的电流峰值点确定故障前电压波形的过零点两侧的采样点；
步骤4，根据步骤3的结果，通过计算故障前电压过零后第一个采样点到波形过零之间的时间，从而进一步计算过零点，执行步骤5；
步骤5，被保护线路两端自同步，两端均以计算得到的故障前电压过零点为同步点对齐采样数据。
优选地，步骤1中，采用相电流差突变量启动元件判断保护启动，判断依据为，
式中:
表示A、B、C三种相别，
IQD表示突变量起动定值，
k表示对应相电流当前采样点的采样序号，
N表示每周波采样点数,
i(k)表示第k点的电流采样值,
i(k-N)表示k-n处的电流采样值，
i(k-2N)表示k-2n处的电流采样值。
优选地，步骤1中所述保护启动判据为本侧任何一相电流连续三次满足保护启动判据则保护启动，如果本侧保护启动，并且对侧也保护启动则两端分别进入步骤2。
优选地，步骤2中，保护启动后，从故障启动时刻向前搜索一个周波，找到三相电流中的最大值点。
优选地，步骤2中，所述故障电流峰值点及三相电流的最大值点的判断方式如下，
max{ia(k)}＝Maximum{|ia(n)|,|ia(n-1)|,|ia(n-2)|,…,|ia(n-N)|}
max{ib(k)}＝Maximum{|ib(n)|,|ib(n-1)|,|ib(n-2)|,…,|ib(n-N)|}
max{ic(k)}＝Maximum{|ic(n)|,|ic(n-1)|,|ic(n-2)|,…,|ic(n-N)|}
式中：
n表示保护启动时刻，
k表示对应相电流最大值点的采样序号，
max{ia(k)}表示保护启动时刻一个周波内a相电流的最大值，
max{ib(k)}表示保护启动时刻一个周波内b相电流的最大值,
max{ic(k)}表示保护启动时刻一个周波内c相电流的最大值,
取max{ia(k)}、max{ib(k)}、max{ic(k)}中的最大值，其对应的采样点序号p即为故障电流的峰值点。
优选地，步骤3中，根据步骤2得出故障电流峰值点的采样序号为p，从Ua电压采样缓存区的第(p-N)点开始向前搜索第一个从负变正的过零点。
优选地，步骤4中，由于两端采样时刻不同，故需计算过零后第一个采样点到波形过零之间的时间Δt，公式如下，
式中：
Δt表示过零后第一个采样点到波形过零之间的时间，
Ts表示采样时间间隔，
n表示过零后第一个采样点的采样序号，
n-1表示过零前一点的采样序号。
优选地，步骤4中，如果|u(n-1)|<100*u(n)，则Δt公式进一步表达如下，
式中：
n-2表示过零前2点的采样序号。
优选地，步骤4中，如果u(n)<100*|u(n-1)，则Δt公式进一步表达如下，
式中：
n+1表示过零后第2个采样点的采样序号。
本发明第二方面提供了一种基于故障前波形过零点的差动保护自同步系统运行所述的一种基于故障前波形过零点的差动保护自同步方法，包括：判断保护启动模块、确定故障电流峰值点模块、确定故障前波形过零点两侧采样点模块、计算过零点模块和被保护线路两端两端自同步模块，其中：
判断保护启动模块用于根据两侧三相电流突变量判断保护是否启动，并发送至确定故障电流峰值点模块；
确定故障电流峰值点模块用于从故障启动时刻向前搜索一个周波，找到三相电流中的最大值点，并发送至确定故障前波形过零点模块；
确定故障前波形过零点两侧采样点模块用于确定故障前该电压波形的过零点两侧的采样点，并发送至计算过零点模块；
计算过零点模块用于计算过零后第一个采样点到波形过零之间的时间Δt，并发送至两端自同步模块；
被保护线路两端自同步模块用于以计算得到的的故障前过零点为同步点对齐被保护线路两端采样数据。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，在原本不具备配置差动保护条件的区域，或通信中断恢复期间对时尚未完成的情况下，利用本发明可以仅仅通过波形本身就可以实现两端自同步，不依赖专用光纤或精确对时系统，从而使得差动保护能够正常配置或使用，提高了继电保护的可靠性、速动性、灵敏性和选择性，市场前景广阔，极具推广价值。
附图说明
图1为两侧启动及搜索峰值点和过零点示意图。
图2为过零点前后的采样值较大Δt计算示意图。
图3为过零前第1个采样值较小Δt计算示意图。
图4为过零后第1个采样值较小Δt计算示意图。
图5为本发明一种基于故障前波形过零点的差动保护自同步方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
事实上，对于单侧电源系统，当区内发生故障时，必然有一侧流过故障电流，另一侧电流为零或很小。这种情况下无需使用光差保护，仅幅值判据就足以判为区内故障，故无需两侧同步；对于存在小电源的系统，也就是双侧电源系统，当区内发生故障时，两侧的故障电流由背侧的系统所决定。如果小电源侧的故障电流比较小，不足以超过过流保护定值，则这种情况也同样可以通过幅值判据来确定为区内故障，不必使用光差保护，故无需两侧同步；如果小电源侧的故障电流比较大，能超过过流保护定值，则幅值判据就不能准确判断区内外故障了，必须使用光差保护，这种情况下需要两侧采样同步；如果区外故障，两侧流过的是穿越电流，两侧电流大小相等方向相反。这种情况下，无论是否存在小电源，都必须使用光差保护，故这种情况下需要两侧采样同步或精确对时。因此，只有当两侧电流都较大并超过过流保护定值时，才需要两侧采样同步。
如图5所示，本发明的实施例1提供了一种基于故障前波形过零点的差动保护自同步方法，包括以下步骤：
步骤1，判断保护启动
采用相电流差突变量启动元件判断保护启动，判据为：
式中:
表示A、B、C三种相别，
IQD为突变量起动定值，
k表示对应相电流当前采样点的采样序号，
N表示每周波采样点数,
i(k)表示第k点的电流采样值,
i(k-N)表示k-n处的电流采样值，
i(k-2N)表示k-2n处的电流采样值，
三相电流分别判断，任何一相电流连续三次满足上式则保护启动。
如果本侧保护启动，并且对侧也保护启动，则两端分别采取以下措施实现同步。
步骤2，确定故障电流峰值点，如图1所示，保护启动后，从故障启动时刻向前搜索一个周波，找到三相电流中的最大值点，判据为：
max{ia(k)}＝Maximum{|ia(n)|,|ia(n-1)|,|ia(n-2)|,…,|ia(n-N)|}
max{ib(k)}＝Maximum{|ib(n)|,|ib(n-1)|,|ib(n-2)|,…,|ib(n-N)|}
max{ic(k)}＝Maximum{|ic(n)|,|ic(n-1)|,|ic(n-2)|,…,|ic(n-N)|}
式中：
n表示保护启动时刻，
N表示每周波采样点数，
k表示对应相电流最大值点的采样序号，
max{ia(k)}表示保护启动时刻一个周波内a相电流的最大值，
max{ib(k)}表示保护启动时刻一个周波内b相电流的最大值,
max{ic(k)}表示保护启动时刻一个周波内c相电流的最大值,
取max{ia(k)}、max{ib(k)}、max{ic(k)}中的最大值，其对应的采样点序号p即为故障电流的峰值点。
步骤3，确定故障前波形过零点两侧的采样点。
取Ua相电压波形确定故障前该电压波形的过零点；
设故障电流峰值点的采样序号为p，则从Ua电压采样缓存区的第(p-N)点开始向前搜索第一个从负变正的过零点；
步骤4，过零点计算，如图2、图3和图4所示，
由于两端采样时刻不同，故需精确计算过零后第一个采样点到波形过零之间的时间Δt，设采样时间间隔为Ts，过零后第一个采样点的采样序号为n，过零前一点的采样序号为p-1，前2点为p-2，过零后第一点的采样序号为p+1，过零后第2点采样序号为p+2，则：
如果|u(n-1)|<100*u(n)，则：
如果u(n)<100*|u(n-1)|，则：
Δt表示过零后第一个采样点到波形过零之间的时间，
Ts表示采样时间间隔，
n表示过零后第一个采样点的采样序号，
n-1表示过零前一点的采样序号，
n-2表示过零前2点的采样序号
n+1表示过零后第2个采样点的采样序号。
步骤5，被保护线路两端自同步。
被保护线路两端均以计算得到的故障前过零点为同步点对齐采样数据。
本发明实施例2提供了一种基于故障前波形过零点的差动保护自同步系统运行所述的一种基于故障前波形过零点的差动保护自同步方法，包括：判断保护启动模块、确定故障电流峰值点模块、确定故障前波形过零点两侧的采样点模块、计算过零点模块和两端自同步模块，其中：
判断保护启动模块用于根据两侧三相电流突变量判断保护是否启动，并发送至确定故障电流峰值点模块；
确定故障电流峰值点模块用于从故障启动时刻向前搜索一个周波，找到三相电流中的最大值点，并发送至确定故障前波形过零点模块；
确定故障前波形过零点两侧的采样点模块用于确定故障前该电压波形的过零点采样点，并发送至计算过零点模块；
计算过零点模块用于计算过零后第一个采样点到波形过零之间的时间Δt，并发送至两端自同步模块；
两端自同步模块用于以计算得到的故障前过零点为同步点对齐采样数据。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，在原本不具备配置差动保护条件的区域，或通信中断恢复期间对时尚未完成的情况下，利用本发明可以仅仅通过波形本身就可以实现两端自同步，不依赖专用光纤或精确对时系统，从而使得差动保护能够正常配置或使用，提高了继电保护的可靠性、速动性、灵敏性和选择性，市场前景广阔，极具推广价值。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于故障前波形过零点的差动保护自同步方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，采用相电流差突变量启动元件判断保护启动，若满足保护启动判据则进入步骤2；
步骤1中，采用相电流差突变量启动元件判断保护启动，判断依据为，
式中:
表示A、B、C三种相别，
IQD表示突变量起动定值，
k表示对应相电流当前采样点的采样序号，
N表示每周波采样点数,
i(k)表示第k点的电流采样值,
i(k-N)表示k-n处的电流采样值，
i(k-2N)表示k-2n处的电流采样值；
步骤1中所述保护启动判据为本侧任何一相电流连续三次满足保护启动判据则保护启动，如果本侧保护启动，并且对侧也保护启动则两端分别进入步骤2；
步骤2保护启动后，从故障启动时刻向前搜索一个周波，确定故障电流峰值点；
步骤2中，保护启动后，从故障启动时刻向前搜索一个周波，找到三相电流中的最大值点，所述故障电流峰值点及三相电流的最大值点的判断方式如下，
max{ia(k)}＝Maximum{|ia(n)|,|ia(n-1)|,|ia(n-2)|,…,|ia(n-N)|}
max{ib(k)}＝Maximum{|ib(n)|,|ib(n-1)|,|ib(n-2)|,…,|ib(n-N)|}
max{ic(k)}＝Maximum{|ic(n)|,|ic(n-1)|,|ic(n-2)|,…,|ic(n-N)|}
式中：
n表示保护启动时刻，
k表示对应相电流最大值点的采样序号，
max{ia(k)}表示保护启动时刻一个周波内a相电流的最大值，
max{ib(k)}表示保护启动时刻一个周波内b相电流的最大值,
max{ic(k)}表示保护启动时刻一个周波内c相电流的最大值,
取max{ia(k)}、max{ib(k)}、max{ic(k)}中的最大值，其对应的采样点序号p即为故障电流的峰值点；
步骤3，根据步骤2得出的电流峰值点确定故障前电压波形的过零点两侧的采样点；
步骤3中，根据步骤2得出故障电流峰值点的采样序号为p，从Ua电压采样缓存区的第(p-N)点开始向前搜索第一个从负变正的过零点；
步骤4，根据步骤3的结果，通过计算故障前电压过零后第一个采样点到波形过零之间的时间，从而进一步计算过零点，执行步骤5；
步骤4中，由于两端采样时刻不同，故需计算过零后第一个采样点到波形过零之间的时间Δt，公式如下，
式中：
Δt表示过零后第一个采样点到波形过零之间的时间，
Ts表示采样时间间隔，
n表示过零后第一个采样点的采样序号，
n-1表示过零前一点的采样序号；
步骤5，被保护线路两端自同步，两端均以计算得到的故障前电压过零点为同步点对齐采样数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于故障前波形过零点的差动保护自同步方法，其特征在于：
步骤4中，如果|u(n-1)|<100*u(n)，则Δt公式进一步表达如下，
式中：
n-2表示过零前2点的采样序号。
3.根据权利要求2所述的一种基于故障前波形过零点的差动保护自同步方法，其特征在于：
步骤4中，如果u(n)<100*|u(n-1)，则Δt公式进一步表达如下，
式中：
n+1表示过零后第2个采样点的采样序号。
4.一种基于故障前波形过零点的差动保护自同步系统运行根据权利要求1至3中任意一项所述的一种基于故障前波形过零点的差动保护自同步方法，包括：判断保护启动模块、确定故障电流峰值点模块、确定故障前波形过零点两侧采样点模块、计算过零点模块和被保护线路两端两端自同步模块，其特征在于：
所述判断保护启动模块用于根据两侧三相电流突变量判断保护是否启动，并发送至确定故障电流峰值点模块；
所述确定故障电流峰值点模块用于从故障启动时刻向前搜索一个周波，找到三相电流中的最大值点，并发送至确定故障前波形过零点模块；
所述确定故障前波形过零点两侧采样点模块用于确定故障前该电压波形的过零点两侧的采样点，并发送至计算过零点模块；
所述计算过零点模块用于计算过零后第一个采样点到波形过零之间的时间Δt，并发送至两端自同步模块；
所述被保护线路两端自同步模块用于以计算得到的的故障前过零点为同步点对齐被保护线路两端采样数据。
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